Science：全無機鈣鈦礦太陽能電池-低溫穩定的CsPbI3立方相

【引言】

有機無機雜化鈣鈦礦（ABX₃）自2009年首次用于光伏發電器件以來受到廣泛關注，發展至今已實現22%能量轉化效率，與現今最好的薄膜硫族化物和硅器件勢均力敵。但是，有機無機雜化鈣鈦礦在自然環境下卻不能長期穩定存在。全無機鉛鹵化物鈣鈦礦CsPbI₃不含有揮發性有機組分，其立方相具有最合適的帶隙（E_g=1.73 V），是理想的替代品，然而在320℃下易轉變為正交晶系。為了解決這一問題，已有文章報道采用Br^-取代I^-，將相變溫度降低至100℃，但是這卻導致帶隙變寬，不利于能量轉化。

【成果簡介】

2016年10月7日，Science發表了一篇關于鈣鈦礦太陽能電池的文章，題目為“Quantum dot-induced phase stabilization of α-CsPbI₃ perovskite for high-efficiency photovoltaics”。該文章的通訊作者是美國國家可再生能源實驗室Joseph M. Luther教授。類似有機金屬鹵化物的全無機鈣鈦礦，立方相α-CsPbI₃具有理想的帶隙，但是一般只在高溫下穩定存在。Joseph M. Luther教授課題組合成在低溫下穩定存在的α-CsPbI₃量子點，可用于高效太陽能電池。

在本文中，作者主要改進α-CsPbI₃量子點的制備方法并開發純化工藝。巧妙利用表面活性劑包覆α-CsPbI₃量子點，而后純化的量子點在空氣中甚至低溫下穩定存在數個月，并在可見光下具有可調諧帶隙。進一步制備成薄膜將其應用于太陽能電池，表現出超過10%的能量轉化效率和穩定輸出功率，其開路電位高達1.23 V。這些器件還能用于低導通電壓和可調諧發射的發光二極管。

【圖文導讀】

圖1：CsPbI₃量子點表征

(A)?分別在不同溫度(a)60℃(3.4 nm)、(b)100℃(4.5 nm) 、(c)140℃(5 nm)、(d)150℃(6.8 nm) 、(e)170℃(8 nm)、(g)180℃(9 nm)、(f)185℃(12.5 nm)下合成的CsPbI₃量子點的歸一化紫外-可見吸收光譜和照片。括號中數字是從TEM觀測到的平均粒徑。

(B) 在紫外光照射下(A)中量子點的歸一化光致發光光譜和照片。

(C) 180℃下合成的CsPbI₃量子點的高分辨TEM圖。

(D) 不同溫度下合成的CsPbI₃量子點的XRD圖，可確認它們均為CsPbI₃的立方相。

圖2：CsPbI₃量子點的相穩定性

(A-B) 分別是170℃合成的CsPbI₃量子點并在空氣中儲存60天的粉末XRD圖譜和在370 nm歸一化的紫外-可見吸收光譜。插圖可看到激子峰發生輕微藍移。

(C) CsPbI₃量子點XRD圖譜的Rietveld精修擬合，說明是純凈的CsPbI₃立方相。

圖3：CsPbI₃量子點薄膜

(A) 100℃、150℃、180℃合成的CsPbI₃量子點在溶液（藍色）和成型薄膜上（黑色）的紫外-可見吸收光譜（實線）和光致發光光譜（虛線）。

(B) FTIR光譜顯示CsPbI₃量子點薄膜成型時（黑色）和MeOAc處理后（紅色）的紅外透射。

圖4：CsPbI₃光電子器件

(A-B) 分別是CsPbI₃光伏電池的示意圖（含量子點的TEM圖）和SEM截面圖。

(C) 在空氣中歷經15天儲存的器件的電流密度-電壓曲線。黑方塊表示器件在電壓0.92V下穩定的輸出功率。

(D) 器件的外量子效率（黑色）和積分電流密度（藍色）。

(E) CsPbI₃光伏電池（170℃合成的CsPbI₃量子點）在正向偏壓下的電致發光光譜。插圖是發光器件的照片。

(F) 分別是采用170℃和180℃合成的CsPbI₃量子點組裝的完整器件的光致發光（虛線）和電致發光（實線）光譜，說明在完整器件上的量子尺寸效應。

【小結】

Joseph M. Luther教授課題組利用納米技術，將通常情況下常溫不能穩定的CsPbI₃立方相實現穩定的轉變，為全無機鈣鈦礦太陽能電池的發展帶來了新的契機。這一方法也為LEDs等其他領域的材料設計提供另一種機理。

文獻鏈接：Quantum dot–induced phase stabilization of α-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics? ?(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aag2700 )

本文由材料人編輯部新能源學術組 蒜頭 供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。